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加州理工科學(xué)家成功使用激光快速和暫時改變材料特性

來源:cnbeta2022-02-09 我要評論(0 )   

想象一下,窗戶可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殓R子,或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來運行。這些只是光學(xué)工程可能出現(xiàn)的一些潛在應(yīng)用,光學(xué)工程是利用激光快速和暫時改變材料...

想象一下,窗戶可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殓R子,或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來運行。這些只是光學(xué)工程可能出現(xiàn)的一些潛在應(yīng)用,光學(xué)工程是利用激光快速和暫時改變材料屬性的做法。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授謝漢強(David Hsieh)說:“這些工具可以讓你在按下電燈開關(guān)時改變材料的電子特性。但是這些技術(shù)一直受到激光器在材料中產(chǎn)生過多熱量問題的限制?!?/p>

在《自然》雜志的一項新研究中,謝漢強和他的團隊,包括主要作者和研究生單俊義(音譯),報告了在不產(chǎn)生任何多余的破壞性熱量的情況下,成功地使用激光來大幅雕琢材料的特性。

單俊義說:“這些實驗所需的激光器非常強大,所以很難不加熱和損壞材料。一方面,我們希望材料受到非常強烈的激光照射。另一方面,我們不希望材料完全吸收這些光。”

單俊義表示,該團隊找到了一個解決這個問題的“甜區(qū)”,激光的頻率被微調(diào),以明顯改變材料的特性,而不產(chǎn)生任何不必要的熱量。

科學(xué)家們還說他們找到了一種理想的材料來證明這種方法。這種材料是一種叫做三硫磷化錳的半導(dǎo)體,在廣泛的紅外頻率范圍內(nèi)自然只吸收少量的光。在他們的實驗中,研究人員使用強烈的紅外激光脈沖,每個脈沖持續(xù)約10-13秒,以迅速改變材料內(nèi)部電子的能量。結(jié)果,對于某些顏色的光,該材料從高度不透明的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨韧该鞯臓顟B(tài)。

研究人員說,更關(guān)鍵的是,這個過程是可逆的。當(dāng)激光關(guān)閉時,該材料立即回到其原始狀態(tài),完全沒有受到影響。如果材料吸收了激光并發(fā)熱,這是不可能的,因為材料需要很長時間來散熱。新工藝中使用的無熱操作被稱為"相干光學(xué)工程"。

該方法之所以有效,是因為光改變了半導(dǎo)體中電子的能級差異(稱為帶隙),而沒有將電子本身“踢”到不同的能級,而這正是產(chǎn)生熱量的原因。

“這就像你有一艘船,然后一個大浪襲來,大力地將船上下?lián)u晃,卻沒有導(dǎo)致任何乘客掉下來,”謝漢強解釋說?!拔覀兊募す庹诖罅u動材料的能級,這改變了材料的特性,但電子卻保持原狀?!?/p>

研究人員以前曾設(shè)想過這種方法將如何工作。例如,在20世紀(jì)60年代,加州理工學(xué)院校友Jon H. Shirley提出了關(guān)于如何在光的存在下解決材料中電子能級的數(shù)學(xué)想法。在這項工作的基礎(chǔ)上,謝漢強的團隊與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的理論家葉孟興(音譯)和Leon Balents合作,計算了激光照射在三硫磷化錳中的預(yù)期效果。謝漢強說,該理論以"非凡的"精度與實驗相匹配。

謝漢強說,這些發(fā)現(xiàn)意味著其他研究人員現(xiàn)在有可能利用光來人工創(chuàng)造材料,例如奇異的量子磁鐵,否則這些材料很難甚至不可能自然創(chuàng)造。

單俊義說:“原則上,這種方法可以改變材料的光學(xué)、磁性和許多其他屬性。這是一種從事材料科學(xué)的替代方式。與其制造新材料來實現(xiàn)不同的特性,我們可以只用一種材料,并最終賦予它廣泛的有用特性。”


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加州理工科學(xué)家激光快速和暫時改變材料
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